Изучение характеристик центробежного вентилятора

Цель работы: определение полных индивидуальных характеристик центробежного вентилятора, изучение влияния на них числа оборотов двигателя.

Общие сведения

Полной индивидуальной характеристикой нагнетателя называются графически выраженные зависимости развиваемого полного давления р (или напора Н), мощности N, коэффициента полезного действия (КПД) h от производительности Q при постоянной частоте вращения n рабочего колеса. Наиболее важной характеристикой является зависимость давления от производительности p = f(Q), которая называется основной характеристикой.

Набор характеристик, построенных для различных частот вращения рабочего колеса называется универсальной характеристикой нагнетателя.

Использование характеристик позволяет произвести подбор нагнетатели для работы в данной установке, определить режим его работы.

Характеристики нагнетателей определяются экспериментально на стендах при постоянной частоте вращения рабочего колеса, а затем при помощи формул подобия строятся универсальные характеристики.

Методика определения характеристик нагнетателя состоит в следующем. Нагнетатель подключается к трубопроводу с переменным гидравлическим сопротивлением, например, задвижкой. Затем, поддерживая постоянной частоту вращения колеса нагнетателя, производится определение давления, мощности, КПД и производительности при каждом фиксированном положения задвижки.

Характеристики нагнетателей

Подачей (производительностью) нагнетателя называется количество газообразной либо жидкой среды, подаваемой нагнетателем в единицу времени. В зависимости от способа определения количества среды различают объемную Q и массовую M подачи.

При известных средней скорости с_ср движения потока в напорном трубопроводе и площади поперечного сечения трубопровода F объемная производительность нагнетателя Q определяется выражением

Q = с_ср F.

Массовая производительность M связана с объемной производительностью выражением

M = rQ,

где r - плотность перекачиваемой среды.

Единица измерения объемной производительности - м³/с, а массовой - кг/с.

Величина производительности нагнетателя определяется его конструкцией, и зависит от числа оборотов рабочего колеса, характеристики сети, к которой подключен нагнетатель.

Давление р нагнетателя представляет собой энергию, сообщенную единице объема перекачиваемой среды. Измеряется давление в Па (Н/м²) или Дж/м³. Напор Н нагнетателя – это энергия, переданная единице веса среды. Единица измерения напора – м.

Давление р и напор Н связаны соотношением р = rgН.

Полное давление р_п, нагнетателя состоит из статического р_ст и динамического р_д давлений

р_п = р_ст + р_д.

Динамическое давление можно определить из выражения

р_д = rс_ср²/2

Мощность нагнетателя. Полезной энергией нагнетателя называется энергия, полученная потоком среды от рабочих органов нагнетателя. Эта энергия равна разности энергий потока в выходном и входном патрубках нагнетателя. Полезной мощностью нагнетателя N_п называется полезная энергия в единицу времени.

Единицы измерения мощности - 1 Вт = 1 Дж/с.

Полезная мощность нагнетателя может быть определена выражениями

N_п = рQ = rQgН = МgН .

От вала двигателя к валу нагнетателя передается мощность на валу N_в. Мощность, передаваемая нагнетателем потоку среды, меньше мощности, передаваемой двигателем валу нагнетателя, на величину объемных, механических и гидравлических потерь энергии в нагнетателе.

Коэффициент полезного действия нагнетательного устройства. Эффективность использования энергии нагнетателем оценивается полным КПД нагнетателя h, который определяется как отношение полезной мощности к мощности на валу нагнетателя

h = N_п /N_в

В нагнетателях потери мощности подразделяются на механические, гидравлические и объемные. В соответствии с этим вводятся понятия механического h_м, объемного h_о и гидравлического h_г коэффициентов полезного действия.

Потери мощности DN на различные виды трения в рабочем органе нагнетателя являются механическими потерями. Механический КПД определяется выражением

h_м = (N_в - DN)/N_в.

Объемные потери мощности возникают в результате утечек среды через уплотнения в нагнетателе. Если обозначить объемы утечек в единицу времени через DQ, то при подаче нагнетателя Q объемный КПД

h_о = Q/(Q + DQ).

Гидравлический КПД учитывает потери, возникающие вследствие наличия гидравлических сопротивлений в подводящем и отводящем трубопроводах, в рабочем колесе нагнетателя. Гидравлический КПД определяется выражением

h_г = Н/(Н + DН_пот) ,

где DН_пот - потери напора.

Полный КПД равен произведению гидравлического, механического и объемного КПД:

h = h_м h_г h_о.

Центробежный вентилятор

Схема центробежного вентилятора приведена на рис. 3.1. Воздух через входной коллектор 1 поступает на лопасти рабочего колеса. Рабочие лопасти 2, жестко скреплены с дисками, один из которых закреплен на валу, соединенным с валом приводного двигателя. Лопасти вращаются вокруг оси вала. Под действием центробежных сил воздух повышает свою энергию и выбрасывается в спиральную камеру, образованную корпусом 3, и далее вытесняется в напорный трубопровод 4. Характерная индивидуальная характеристика вентилятора приведена на рис. 3.2.

Экспериментальная установка

Экспериментальный стенд для исследования характеристик вентиляторов (рис. 3.3) включает в себя следующие элементы: центробежный 1 и осевой 2 вентиляторы, задвижки 3 и 4 на выходе каждого из вентиляторов, напорный трубопровод 5, дроссельное устройство (задвижка) 6. Измерение полного и динамического давлений в напорном трубопроводе осуществляется трубкой Пито-Прандтля 7 с краном 8 и микроманометром 9.

Электрическая схема стенда приведена на рис. 3.4. Вентиляторы приводятся в движение электродвигателями переменного тока. Напряжение питания электродвигателей регулируется латрами 1 и 2.

Потребляемая вентиляторами мощность измеряется ваттметром. Коммутация вентиляторов, а также подключение к ним ваттметра осуществляется группой переключателей В1 – В4. Частота вращения рабочего колеса вентилятора измеряется частотомером с помощью фотодатчика.

Рис. 3.3. Схема экспериментального стенда

Рис. 3.4. Электрическая схема лабораторной установки

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с устройством и принципом работы центробежного вентилятора.

2. Изучить экспериментальный стенд для определения характеристик центробежного вентилятора.

3. Полностью открыть задвижку на центробежном вентиляторе. Задвижку на осевом вентиляторе закрыть.

4. Подключить стенд к сети.

5. Определить начальное показание l₀ микроманометра.

6. Включить центробежный вентилятор включателем В1. Переключатели В3 – В4 установить в положение «Измерение мощности центробежного вентилятора».

7. Латром 1 установить число оборотов рабочего колеса вентилятора 4000 об/мин. При этом измерение частоты вращения производить частотомером.

8. Полностью закрыть задвижку на напорном трубопроводе (положение 1) – холостой ход вентилятора.

9. Ваттметром измерить потребляемую двигателем мощность N_в.

10. Микроманометром определить полное l_п (дел) и динамическое l_дин (дел) давления в напорном трубопроводе.

11. Показания приборов записать в табл. 3.1.

12. При одном и том же числе оборотов вентилятора произвести серию измерений потребляемой мощности, полного и динамического давлений для каждого положения задвижки в соответствии с пп. 9 – 11.

13. Используя описанную методику, повторить опыты при числах оборотов вентилятора, указанных в табл. 3.1.

Обработка экспериментальных результатов

1. Определить динамическое и полное давления по формулам

;

,

где r_спирта= 809,5кг/м³ - плотность спирта в микроманометре;

g – ускорение свободного падения;

l - l₀ - разность показаний микроманометра, м;

k = 0,2 - масштаб микроманометра.

2. Скорость движения потока воздуха на оси напорного трубопровода определяется по формуле

,

где r - плотность воздуха при 20 ^оС и j = 50 % (r = 1,2 кг/м³).

3. Определить среднюю скорость движения воздуха в трубопроводе

с_ср = 0,8 с_ос.

4. Подачу (производительность) вентилятора определить по формуле

Q = с_ср F,

где F - площадь поперечного сечения напорного трубопровода. Диаметр трубопровода, используемого в установке, d = 0,053 м.

5. Определить полный коэффициент полезного действия вентилятора

.

6. Все рассчитанные величины внести в табл. 3.1.

7. На основании результатов измерений и расчетных данных построить на индивидуальные характеристики центробежного вентилятора р_п= f(Q), N_в = f(Q), h = f(Q) для каждого числа оборотов двигателя вентилятора.

8. Проанализировать влияние частоты оборотов вентилятора на его индивидуальные характеристики.

Таблица 3.1

Лабораторная работа № 4